ug運(yùn)動仿真.docx

第一十四章 數(shù)字樣機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動仿真實(shí)例第一節(jié) UG NX運(yùn)動仿真基礎(chǔ)知識1進(jìn)入U(xiǎn)G NX運(yùn)動仿真模塊 啟動UG NX 8.0中文版軟件系統(tǒng)，打開或創(chuàng)建1個(gè)裝配部件（裝配主模型），接著選擇“起點(diǎn)”“所有應(yīng)用模塊”“運(yùn)動仿真”菜單命令，即進(jìn)入U(xiǎn)G NX 8.0的運(yùn)動仿真模塊（見圖14-1）。注意，此時(shí)的運(yùn)動仿真工具欄全部命令為淺灰色（即未激活，見圖14-2上圖）。選擇“工具”“定制”菜單命令，在“定制”對話框的“工具條”選項(xiàng)卡中，選擇“運(yùn)動”和“運(yùn)動分析”兩個(gè)工具欄，并選擇“文本在圖標(biāo)下面”，則全部命令（含次級命令）加亮（見圖14-2下圖）。單擊“關(guān)閉”按鈕后，全部命令重新為淺灰色。圖14-1 進(jìn)入運(yùn)動仿真模塊圖14-2 “運(yùn)動”和“運(yùn)動分析”工具條2何謂運(yùn)動仿真模塊 運(yùn)動仿真模塊屬于計(jì)算機(jī)輔助工程分析的1個(gè)應(yīng)用軟件，用于建立機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真模型，分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動規(guī)律和動力特性。UG NX運(yùn)動仿真模塊會自動仿真主模型的裝配文件，并建立一系列不同的運(yùn)動仿真，每個(gè)運(yùn)動仿真都可以獨(dú)立修改，而不影響裝配主模型，一旦完成機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，即可直接更新裝配主模型，以反映機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果。3創(chuàng)建新的運(yùn)動仿真 在運(yùn)動導(dǎo)航器中選擇裝配主模型（如“QBYGJG”）后，右擊單擊“新建仿真”按鈕彈出“環(huán)境”對話框默認(rèn)“分析類型”為“動力學(xué)”默認(rèn)“仿真名”為“motion_1”單擊“確定”按鈕彈出“機(jī)構(gòu)運(yùn)動副向?qū)А睂υ捒騿螕簟按_定”按鈕（見圖14-3和圖14-4）。此時(shí)，“運(yùn)動”工具欄上的大部分命令加亮。如果運(yùn)動副不合格，則會出現(xiàn)如圖14-5所示的提示框。單擊“是”按鈕，則會出現(xiàn)如圖14-6所示的畫面。圖14-3 新建運(yùn)動仿真1“motion_1”圖14-4 成功創(chuàng)建運(yùn)動仿真實(shí)例圖14-5 “主模型到仿真的配對條件/約束轉(zhuǎn)換”提示框圖14-6 未成功創(chuàng)建運(yùn)動仿真的實(shí)例4運(yùn)動仿真模塊支持的運(yùn)動分析類型（解算方案）UG NX可以執(zhí)行的運(yùn)動分析類型，即解算方案如下。（1）運(yùn)動學(xué)仿真 機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)是研究機(jī)構(gòu)運(yùn)動的一門科學(xué)，其研究對象是連桿（構(gòu)件）的位移、速度和加速度，及其與時(shí)間的關(guān)系，而不考慮運(yùn)動發(fā)生的原因。因此，在機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)仿真分析中只考慮運(yùn)動驅(qū)動，其他的因素（如作用力、摩擦力、重力，以及零件的材料、質(zhì)量）都不用考慮。 機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)仿真就是在不考慮力等因素影響的情況下，分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動的變化規(guī)律，包括線性位移或角度位移、線性速度或角度速度、線性加速度或角度加速度隨著時(shí)間變化的規(guī)律曲線，以及機(jī)構(gòu)是否發(fā)生干涉和自鎖，跟蹤構(gòu)件（UG NX稱為連桿）的運(yùn)動軌跡等。通過運(yùn)動學(xué)仿真，修改和運(yùn)動有關(guān)的機(jī)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動參數(shù)的優(yōu)化。（2）動力學(xué)仿真 機(jī)構(gòu)動力學(xué)遠(yuǎn)比機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)復(fù)雜，它不僅涵蓋了運(yùn)動學(xué)分析的內(nèi)容，而且還要考慮機(jī)構(gòu)發(fā)生運(yùn)動的真正原因，如作用力、摩擦力、重力，以及零件的材料、質(zhì)量和慣性等。 機(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真就是在考慮力等因素影響的情況下，不僅分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動的變化規(guī)律，包括線性位移或角度位移、線性速度或角度速度、線性加速度或角度加速度隨著時(shí)間變化的規(guī)律曲線，以及機(jī)構(gòu)是否發(fā)生干涉和自鎖，跟蹤構(gòu)件（UG NX稱為連桿）的運(yùn)動軌跡等，而且還可以分析運(yùn)動副中的作用力（矩）、反作用力（矩）。通過動力學(xué)仿真不僅可以解決運(yùn)動學(xué)方面的問題，而且可以解決機(jī)構(gòu)動力特性方面的問題（如修改材料選擇，零件的具體結(jié)構(gòu)）。（3）靜態(tài)平衡 在有限元分析中，靜態(tài)表示的是結(jié)構(gòu)模型被約束而不能進(jìn)行剛體運(yùn)動（存在靜態(tài)平衡），同時(shí)也表示假設(shè)載荷是“緩慢施加”的，不會造成動力效應(yīng)。 靜態(tài)平衡分析類型即進(jìn)行靜力學(xué)分析，就是將模型移動到平衡位置，并輸出運(yùn)動副上的反作用力。選擇該分析類型后，時(shí)間和步數(shù)的輸入項(xiàng)將變?yōu)榛疑豢蛇x。 當(dāng)選擇運(yùn)動學(xué)/動力學(xué)分析類型進(jìn)行求解，并指定包含作為起點(diǎn)的靜態(tài)平衡分析時(shí)，求解器RecurDyn（Adams不支持此解算方案）首先以靜態(tài)平衡分析方式運(yùn)行仿真。靜態(tài)平衡分析可以確定影響機(jī)構(gòu)的所有內(nèi)力和外力達(dá)到平衡的位置。將所有速度和加速度均設(shè)置為零。然后，求解器從機(jī)構(gòu)的平衡位置開始運(yùn)行動態(tài)分析。（4）控制/動力學(xué)（協(xié)同仿真） 用戶要在“環(huán)境”對話框中選擇“協(xié)同仿真”復(fù)選框，“解算方案”對話框中的“控制/動力學(xué)”分析類型才會被激活，即可以從MATLAB Simulink中直接啟動協(xié)同仿真。然后，可以在運(yùn)動仿真或MATLAB Simulink中查看動畫結(jié)果。協(xié)同仿真支持MATLAB Simulink版本R2007a、R2007b、R2008a和R2008b。（5）柔體動力學(xué) 典型的運(yùn)動仿真對象是使用剛體的機(jī)構(gòu)，其中的剛體根據(jù)約束以規(guī)定的自由度進(jìn)行移動。這些剛體運(yùn)動仿真無法表示某些動力學(xué)特性，尤其是那些由于某些條件（如尖銳影響、運(yùn)動中的突然變化，或元件非常柔軟而導(dǎo)致影響機(jī)構(gòu)的運(yùn)動）而引起的特性。對于這些情況，UG NX可以使用柔性體分析來組合彈性變形與剛體運(yùn)動。 此類分析需要選擇帶RecurDyn求解器的NX運(yùn)動仿真和帶NX Nastran求解器的NX高級仿真。5“運(yùn)動仿真”工具欄 如圖14-2所示的“運(yùn)動仿真”工具欄，只是運(yùn)動仿真工具的一部分。在下拉菜單中選擇“工具”/“定制”菜單命令在彈出的“定制”對話框的“命令”選項(xiàng)卡中選擇“運(yùn)動”命令，即可看到用于運(yùn)動仿真的全部命令（見圖14-7）。用戶可以根據(jù)需要將某個(gè)命令拖動到運(yùn)動工具條中。此外，如圖14-8圖14-12所示的工具欄也是用于運(yùn)動仿真的。圖14-7 運(yùn)動仿真全部命令圖14-8 “連桿及運(yùn)動副”工具欄圖14-9 “連接器和載荷”工具欄圖14-10 “模型準(zhǔn)備”工具欄圖14-11 “運(yùn)動控制”工具欄圖14-12 “動畫控制”工具欄 下面對運(yùn)動主工具欄中的命令（工具）進(jìn)行簡要說明。（1）環(huán)境：用于設(shè)置解算方案類型，如運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)或控制。（2）連桿：用于定義機(jī)構(gòu)中為剛性體的構(gòu)件。UG NX的連桿和機(jī)械原理教材中所說的連桿是有區(qū)別的。UG NX的連桿實(shí)質(zhì)上就是作為運(yùn)動單元的構(gòu)件，應(yīng)該看成是個(gè)剛體。用戶定義連桿時(shí)，必須選擇裝配主模型中所有一起運(yùn)動的模型幾何體（零件）。在某些情況下，需要將裝配主模型中所有不運(yùn)動的幾何體（零件）也定義為1個(gè)連桿（機(jī)架）。這樣，連桿（構(gòu)件）就可分為運(yùn)動的和固定的兩種類型其中固定的連桿稱為機(jī)架。注意，同1個(gè)對象不能屬于兩個(gè)連桿（構(gòu)件）；在創(chuàng)建固定連桿時(shí)，要先選擇連桿對話框中的“固定連桿”復(fù)選框。（3）運(yùn)動副：由于定義機(jī)構(gòu)中連桿（構(gòu)件）間的受約束運(yùn)動，有些地方又翻譯為連接（Joint），這一說法和機(jī)械原理教材講的完全一致。實(shí)際上它就是既添加了約束，又仍然保持一定自由度的可動連接。（4）齒輪副：用于定義兩個(gè)運(yùn)動副間的相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。單擊齒輪右邊的黑色三角形，可以展開其級聯(lián)菜單（見前面圖14-2）。用戶還可以定義齒輪齒條副、線纜副和2-3傳動副：齒輪齒條副用于定義滑動副和旋轉(zhuǎn)副之間的相對運(yùn)動；線纜副用于定義兩個(gè)滑動副間的相對運(yùn)動；2-3傳動副用于定義兩個(gè)或三個(gè)旋轉(zhuǎn)副、滑動副和柱面副之間的相對運(yùn)動。（5）彈簧：用于創(chuàng)建1個(gè)柔性單元，以在兩個(gè)連桿（活動構(gòu)件）之間，1個(gè)連桿（活動構(gòu)件）和框架（機(jī)架）之間，在1個(gè)移動副或旋轉(zhuǎn)副上施加作用力或力矩。單擊彈簧右邊的黑色三角形，可以展開其級聯(lián)菜單，還可以定義阻尼器、襯套、3D接觸和2D接觸。阻尼器用于在兩個(gè)連桿（活動構(gòu)件）之間或1個(gè)連桿（活動構(gòu)件）和框架（機(jī)架）之間，在1個(gè)移動副或旋轉(zhuǎn)副上施加反作用力或力矩。襯套創(chuàng)建1個(gè)常規(guī)或圓柱形彈性襯套，以在兩連桿（構(gòu)件）之間定義1個(gè)柔性關(guān)系。3D接觸用于在1個(gè)體和1個(gè)靜止對象之間，或在兩個(gè)移動體之間，或?yàn)獒槍?個(gè)體支撐另外1個(gè)體定義接觸。2D接觸用于在兩個(gè)共面的曲線之間創(chuàng)建接觸，以使附著到這些曲線上的連桿（構(gòu)件）產(chǎn)生與材料有關(guān)的影響。（6）點(diǎn)在曲線上：用于約束連桿（構(gòu)件）上的1個(gè)點(diǎn)，以保持與曲線的接觸。單擊點(diǎn)在曲線上右邊的黑色三角形，可以展開其級聯(lián)菜單，還可以定義“線在線上副”和“點(diǎn)在曲面上”：線在線上副用于約束連桿（構(gòu)件）上的1條，以保持與另外1條曲線的接觸；點(diǎn)在曲面上用于約束連桿（構(gòu)件）上的1個(gè)點(diǎn)，以保持與曲面的接觸。（7）標(biāo)量力：用于在兩個(gè)連桿（構(gòu)件）之間或1個(gè)連桿（活動構(gòu)件）與1個(gè)框架（機(jī)架）之間創(chuàng)建1個(gè)標(biāo)量力。單擊標(biāo)量力右邊的黑色三角形，可以展開其級聯(lián)菜單（見圖14-13），還可以定義“標(biāo)量扭矩”和“矢量力”、“矢量扭矩”：標(biāo)量扭矩用于圍繞旋轉(zhuǎn)副的軸創(chuàng)建1個(gè)標(biāo)量扭矩；矢量力用于以既定的Z軸或以絕對CSYS的軸為中心，在兩個(gè)連桿（構(gòu)件）之間或1個(gè)連桿（活動構(gòu)件）與1個(gè)框架（機(jī)架）之間創(chuàng)建1個(gè)力；矢量扭矩用于在兩個(gè)連桿（構(gòu)件）之間或1個(gè)連桿（活動構(gòu)件）與1個(gè)框架（機(jī)架）之間創(chuàng)建1個(gè)扭矩，作用于定義的Z軸或絕對坐標(biāo)系的軸。（8）智能點(diǎn)：用于創(chuàng)建1個(gè)與選定幾何體關(guān)聯(lián)的點(diǎn)（但是不在使用相同幾何體的連桿中自動包含它）。單擊智能點(diǎn)右邊的黑色三角形，可以展開其級聯(lián)菜單（見圖14-13），還可以定義“標(biāo)記”和“傳感器”：標(biāo)記用于在需要分析結(jié)果的連桿（構(gòu)件）上創(chuàng)建1個(gè)標(biāo)記；傳感器用于創(chuàng)建傳感器對象，以監(jiān)控運(yùn)動對象相對于仿真對象的位置。（9）駕駛員：在機(jī)構(gòu)的運(yùn)動副中創(chuàng)建1個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動。圖14-13 部分級聯(lián)菜單（10）干涉：用于檢查機(jī)構(gòu)是否與選定的幾何體在運(yùn)動的每一步存在碰撞。單擊干涉右邊的黑色三角形，可以展開其級聯(lián)菜單（見圖14-13），還可以定義“測量”和“追蹤”：測量用于計(jì)算運(yùn)動中每一步兩組幾何體之間的最小距離或最小夾角；追蹤用于在運(yùn)動的每一步創(chuàng)建選定幾何對象的副本。（11）解算方案：用于創(chuàng)建新解算方案。其中定義了分析類型、解算方案類型以及特定于解算方案的載荷和運(yùn)動驅(qū)動。（12）求解：用于解算運(yùn)動解算方案并生成結(jié)果集。（13）動畫：用于根據(jù)機(jī)構(gòu)在指定時(shí)間內(nèi)的仿真步數(shù)，執(zhí)行基于時(shí)間的運(yùn)動仿真。單擊動畫右邊的黑色三角形，可以展開其級聯(lián)菜單，還可以定義“作圖”、“填充電子表格”、“創(chuàng)建序列”和“載荷傳遞”：作圖用于為選定的運(yùn)動副和標(biāo)記，創(chuàng)建指定可觀察的圖表；填充電子表格用于將仿真中每一步的位移數(shù)據(jù)填充到1個(gè)電子表格文件；創(chuàng)建序列用于為所有被定義為機(jī)構(gòu)連桿（構(gòu)件）的組件定義運(yùn)動副裝配序列；載荷傳遞用于計(jì)算反作用載荷以進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。 其余與運(yùn)動仿真相關(guān)工具欄中的命令（工具）在后面用到時(shí)再作說明。6UG NX運(yùn)動仿真階段 UG NX軟件將機(jī)構(gòu)看成是一組連接在一起運(yùn)動的連桿（構(gòu)件）的集合。在有了裝配主模型以后，用UG NX軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真需要經(jīng)歷前處理、求解和后處理3個(gè)階段。（1）創(chuàng)建運(yùn)動仿真模型是整個(gè)分析過程的前處理階段，有如下3個(gè)步驟。1）創(chuàng)建連桿，即在運(yùn)動機(jī)構(gòu)中創(chuàng)建代表運(yùn)動構(gòu)件的連桿。2）創(chuàng)建運(yùn)動副，即創(chuàng)建約束連桿運(yùn)動的運(yùn)動副。在某些情況下，可以同時(shí)創(chuàng)建其他的運(yùn)動約束特征，如彈簧、阻尼、彈性襯套和接觸單元等。3）定義運(yùn)動驅(qū)動。運(yùn)動驅(qū)動使機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動。每個(gè)運(yùn)動副可以包含6種可能的運(yùn)動驅(qū)動中的一種。 完成這樣3個(gè)步驟，實(shí)際上就是為運(yùn)動仿真創(chuàng)建了1個(gè)機(jī)構(gòu)模型，由此得到的信息會生成內(nèi)部的求解器輸入數(shù)據(jù)文件，再傳送到解算器。（2）求解 在求解階段，解算器處理輸入數(shù)據(jù)（確定遞交的運(yùn)動仿真的求解方案），并生成內(nèi)部的輸出數(shù)據(jù)文件，再傳送到運(yùn)動仿真模塊中。 UG NX運(yùn)動仿真模塊提供了RecurDyn解算器和Adams解算器。這兩種解算器都是嵌入于UG NX運(yùn)動仿真模塊中的。用戶可以選擇其中一種解算器進(jìn)行運(yùn)動仿真求解。用戶設(shè)置默認(rèn)求解器的方法是：1）選擇“文件”/“實(shí)用工具”/“用戶默認(rèn)設(shè)置”菜單命令彈出“用戶默認(rèn)設(shè)置”對話框，如圖14-14所示。圖14-14 用戶默認(rèn)設(shè)置2）在“用戶默認(rèn)設(shè)置”對話框中選擇“Pre Processor（預(yù)處理器）”菜單命令展開如圖 14-15 所示的“Solver and Environment（求解器和環(huán)境）”選項(xiàng)卡進(jìn)行“Solver and Environment（求解器和環(huán)境）”設(shè)置。3）在“用戶默認(rèn)設(shè)置”對話框中選擇“Analysis（分析）”菜單命令出現(xiàn)如圖14-16所示的畫面對RecurDyn或Adams的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。圖14-15 設(shè)置求解器和環(huán)境圖14-16 設(shè)置RecurDyn或Adams的參數(shù)4）設(shè)置完后，單擊“用戶默認(rèn)設(shè)置”對話框下部的“確定”按鈕。5）退出UG NX系統(tǒng)后，重新啟動UG NX系統(tǒng)，“用戶默認(rèn)設(shè)置”方可生效，如圖14-17所示。圖14-17 “用戶默認(rèn)設(shè)置”提示框（3）后處理 在后處理階段，運(yùn)動仿真模塊解釋解算器輸出數(shù)據(jù)文件，并轉(zhuǎn)換成動畫、圖表或報(bào)表文件，其用戶默認(rèn)設(shè)置如圖14-18所示。圖14-18 后處理的默認(rèn)設(shè)置7運(yùn)動驅(qū)動 運(yùn)動驅(qū)動是賦給旋轉(zhuǎn)副、滑動副和柱面副等運(yùn)動副上控制運(yùn)動的運(yùn)動副參數(shù)。因此，運(yùn)動驅(qū)動總是與運(yùn)動副相關(guān)。用戶既可以定義一個(gè)默認(rèn)的運(yùn)動驅(qū)動，也可以創(chuàng)建一個(gè)僅與指定求解方案中的運(yùn)動副相關(guān)的獨(dú)立驅(qū)動。對任何運(yùn)動副，在一個(gè)求解方案中只能包含一個(gè)獨(dú)立驅(qū)動。但是，允許對某一特定運(yùn)動設(shè)置多個(gè)不同特性的運(yùn)動驅(qū)動，并將其中一個(gè)設(shè)為正常驅(qū)動，再將其他幾個(gè)驅(qū)動作為替代驅(qū)動加到不同的求解方案中，然后分別求解比較結(jié)果。例如，對于1個(gè)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，在“運(yùn)動“工具欄上選擇“駕駛員”命令 ，出現(xiàn)如圖14-19a所示的“驅(qū)動”對話框，在運(yùn)動導(dǎo)航器中選擇1個(gè)旋轉(zhuǎn)副（如J001）后，再單擊“無”右邊的黑色三角形，可見共有4種運(yùn)動驅(qū)動可供選擇。又例如，對于1個(gè)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，在“運(yùn)動“工具欄上選擇“運(yùn)動副”命令，在出現(xiàn)的“運(yùn)動副”對話框中展開“驅(qū)動”選項(xiàng)卡，再單擊“無”右邊的黑色三角形，可見共有5種運(yùn)動驅(qū)動可供選擇（見圖14-19b）。再比如，當(dāng)用戶在“環(huán)境”對話框中選擇了“動力學(xué)”和“電動機(jī)驅(qū)動”復(fù)選項(xiàng)時(shí)，便會在“驅(qū)動”對話框中添加“電動機(jī)驅(qū)動”類型，如圖14-19c所示。因此，UG NX 8的運(yùn)動驅(qū)動共有如下6種類型。（1）無 “無”驅(qū)動即沒有外加的運(yùn)動賦在運(yùn)動副上。在1個(gè)機(jī)構(gòu)中除了連接原動件（如曲柄）的運(yùn)動副應(yīng)該施加后面介紹的某種運(yùn)動驅(qū)動外，其余的運(yùn)動副都應(yīng)該選擇“無”驅(qū)動。（2）常數(shù)（以前版本翻譯為“恒定”） “常數(shù)”運(yùn)動驅(qū)動設(shè)運(yùn)動副為恒定運(yùn)動（旋轉(zhuǎn)或平移）。這類運(yùn)動驅(qū)動要設(shè)置需要的初始位移或初始速度或初始加速度。一般設(shè)定初始速度為大于零的某個(gè)常數(shù)，如圖14-20所示。（3）簡諧 “簡諧”運(yùn)動驅(qū)動生成一個(gè)光滑的向前或向后的正弦運(yùn)動。這類運(yùn)動驅(qū)動需要設(shè)置的運(yùn)動參數(shù)為振幅、頻率、相位角和位移，如圖14-21所示。（4）功能（以前版本翻譯為“函數(shù)”或“運(yùn)動函數(shù)”） “功能”運(yùn)動驅(qū)動是用位移或速度或加速度的某種函數(shù)關(guān)系式驅(qū)動的，可以用于定義由開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)控制